基于無(wú)碰撞區(qū)碼的跳頻系統(tǒng)準(zhǔn)同步組網(wǎng)方案

1、基于無(wú)碰撞區(qū)碼的跳頻系統(tǒng)準(zhǔn)同步組網(wǎng)方案XXX摘要： 本文工作受通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（NSFC/RGC No.60218001）資助。作者XXX為西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院研究生，四川成都610031，Email：xxx。根據(jù)無(wú)碰撞區(qū)（No-Hit-Zone簡(jiǎn)稱NHZ）跳頻碼的特點(diǎn)，提出了一種基于NHZ跳頻碼的跳頻通信系統(tǒng)多址接入準(zhǔn)同步組網(wǎng)方案。仿真結(jié)果表明，該方案保證了跳頻系統(tǒng)工作在NHZ跳頻碼的無(wú)碰撞區(qū)范圍內(nèi)，有效地降低了系統(tǒng)的多址干擾，改善了系統(tǒng)的整體誤碼率性能，適合于多用戶跳頻通信系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：跳頻通信 跳頻序列 跳頻同步 ALOHAQuasi-

2、synchronous Scheme for Frequency Hopping System Based on No-Hit-Zone Hopping CodeXXXAbstract: According to the characteristics of No-Hit-Zone (NHZ) hopping code, a Multi-Access quasi -synchronous scheme based on NHZ hopping code for frequency hopping communication system was proposed. Simulation res

3、ults prove that the scheme can assure the frequency hopping system to work within no hit zone of NHZ hopping code. Moreover, it decreases the Multi-Access interference and improves the integral bit error rate performance of the system, and is suitable for multi-user frequency hopping system. Key Wor

4、ds: frequency hopping system; frequency hopping sequence; frequency synchronization; ALOHA1. 引言由于跳頻通信在抗干擾、保密性以及多址通信等方面具有窄帶通信無(wú)法比擬的優(yōu)越性，所以在各類無(wú)線通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在跳頻通信系統(tǒng)中，組網(wǎng)是關(guān)系到跳頻通信能否正常建立的關(guān)鍵。跳頻組網(wǎng)方法主要有同步組網(wǎng)和異步組網(wǎng)。采用同步組網(wǎng)方法的跳頻通信系統(tǒng)所用的跳頻序列集在零位移處的漢明相關(guān)為零，各用戶在統(tǒng)一的時(shí)鐘下實(shí)施同步跳頻，因而通信中不同用戶的載波頻率不會(huì)發(fā)生碰撞。異步組網(wǎng)則系統(tǒng)中各用戶按各自的跳頻序列工作，由于各用

5、戶之間沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，因而異步組網(wǎng)時(shí)，用戶間會(huì)發(fā)生頻率碰撞。顯然，這種頻率碰撞的機(jī)會(huì)是隨著用戶數(shù)量的增加而增多。根據(jù)跳頻序列的理論界，不存在完全沒(méi)有碰撞的理想異步組網(wǎng)跳頻序列集。本文中采用跳頻文獻(xiàn)1,2所提出的無(wú)碰撞區(qū)（No-Hit Zone簡(jiǎn)稱NHZ）跳頻碼，其在零位移附近一段時(shí)間內(nèi)是無(wú)碰撞的。為了利用NHZ跳頻碼的優(yōu)點(diǎn)，跳頻系統(tǒng)需保證工作在跳頻碼的無(wú)碰撞區(qū)內(nèi)，即系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)待通信的發(fā)信機(jī)之間既不是嚴(yán)格的接入同步，也不是完全異步，而是接入準(zhǔn)同步。根據(jù)ALOHA/CSMA協(xié)議思想3和NHZ跳頻碼特點(diǎn)，提出了一種基于無(wú)碰撞區(qū)碼跳頻通信系統(tǒng)的多址接入準(zhǔn)同步方案，并應(yīng)用于跳頻通信系統(tǒng)中，用MATL

6、AB對(duì)其進(jìn)行仿真，比較分析了系統(tǒng)的仿真結(jié)果。2 無(wú)碰撞區(qū)及其新型NHZ跳頻碼為了降低甚至消除系統(tǒng)的多址干擾，可以采用在一定相關(guān)區(qū)域內(nèi)具有理想相關(guān)特性的序列，即新型無(wú)碰撞區(qū)跳頻序列12作為用戶的地址碼。無(wú)碰撞區(qū)的定義為：假定有集合，其中，為序列的數(shù)目，為序列周期。若分別用和描述自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)的無(wú)碰撞區(qū)的寬度，表示跳頻序列的無(wú)碰撞區(qū)的寬度， 則相應(yīng)的無(wú)碰撞區(qū)跳頻序列N(L,M,ZN)具有如下相關(guān)特性，其中，如果x=y，則h(x,y)=1，反之h(x,y)=0。例如，若長(zhǎng)度L=32，序列數(shù)目M=4，無(wú)碰撞區(qū)ZN=2，則相應(yīng)的NHZ跳頻序列集1為，N(1)=28 30 29 31 24 30

7、17 31 1 28 2 31 1 24 6 23 11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31N(2)=7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27 16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19作為同步源開(kāi)始通信NN結(jié)束通信？Y停止發(fā)送拒接同步頭，結(jié)束通信YNY發(fā)送拒接同步頭同時(shí)接收其他同步頭收到接入同步頭？超過(guò)延時(shí)？N結(jié)束通信？YNAB暫時(shí)中止傳送數(shù)據(jù)，觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器N開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)信道有同步源？A或B準(zhǔn)同步頭接入開(kāi)始通信，選擇起跳時(shí)刻Y在定時(shí)器期間監(jiān)測(cè)到同步源？關(guān)閉

8、定時(shí)器，開(kāi)始通信結(jié)束Y圖1 多址接入準(zhǔn)同步方案流程圖N(3)=11 9 21 23 15 9 25 23 22 11 10 23 22 15 14 31 28 30 29 31 24 30 17 31 1 28 2 31 1 24 6 23r(t)BPF檢波器 搜索控制時(shí)鐘控制時(shí)鐘PN序列發(fā)生器頻合器圖2 搜索自等待式同步方法N(4)=16 18 6 4 11 13 21 27 13 16 25 4 18 11 2 19 7 5 14 12 28 26 29 19 26 7 17 12 5 28 10 27其漢明自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)分別為Huu()=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

9、xxxxxx 00 32 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,Huv()=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 00 0 00 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx.3. ALOHA通信與CSMA協(xié)議ALOHA網(wǎng)首次在無(wú)線信道中引入了數(shù)據(jù)包(又稱分組)廣播這一結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道及分組交換網(wǎng)有很大不同，故稱之為ALOHA信道3。通過(guò)這一公共的廣播信道，網(wǎng)中的每個(gè)用戶隨時(shí)都可以給另一用戶發(fā)送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要優(yōu)點(diǎn)是：圖3 跳頻通信系統(tǒng)誤碼率曲線比較(1) 允許大量間斷性工作的發(fā)射機(jī)共享同

10、一信道；(2) 利用ALOHA信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，中心臺(tái)或服務(wù)器只需要一個(gè)高速接口，而不必為網(wǎng)中的每個(gè)用戶提供一個(gè)單獨(dú)的接口。ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道結(jié)構(gòu)的通信。目前，已設(shè)計(jì)了多種用于衛(wèi)星通信和地面通信的ALOHA多址協(xié)議，其中最基本的有三種：ALOHA，分隙ALOHA和預(yù)約ALOHA。除了上述三種協(xié)議外，還提出了各種各樣的ALOHA隨機(jī)多址協(xié)議，其中比較著名的是載波監(jiān)聽(tīng)多址(CSMA)和分組預(yù)約多址(PRMA)。CSMA多址協(xié)議的原理：采用“先聽(tīng)后發(fā)”的原則來(lái)減少“碰撞”，即網(wǎng)絡(luò)中用戶將其接收機(jī)調(diào)到公用的載波頻率上，以便監(jiān)聽(tīng)是否有其它用戶在使用信道，若發(fā)現(xiàn)信道閑，則發(fā)送信息，

11、否則一直等待，直至無(wú)其它用戶使用信道為止。4. 跳頻通信系統(tǒng)多址接入準(zhǔn)同步原理及實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的用戶，以最先接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的發(fā)信機(jī)作為同步源，周期性地發(fā)送準(zhǔn)同步頭。延遲入網(wǎng)的發(fā)信機(jī)在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先監(jiān)聽(tīng)信道，當(dāng)收到準(zhǔn)同步頭時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，其與同步源從同一時(shí)刻開(kāi)始跳頻，使得發(fā)送信息采用的跳變頻率起跳點(diǎn)控制在跳頻碼的無(wú)碰撞區(qū)內(nèi)，從而保證跳頻通信網(wǎng)中工作的各發(fā)信機(jī)控制在跳頻碼的無(wú)碰撞區(qū)內(nèi)。多址接入準(zhǔn)同步的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。多址接入準(zhǔn)同步方案利用了NHZ跳頻碼的優(yōu)點(diǎn)并借鑒了ALOHA通信CSMA協(xié)議。多址接入準(zhǔn)同步方案與CSMA協(xié)議均采用“先聽(tīng)后發(fā)”的原則來(lái)減少“碰撞”。在CSMA協(xié)議中，信道始

12、終只有一個(gè)用戶在占用。而在多址接入準(zhǔn)同步方案中，信道可以多個(gè)用戶同時(shí)使用。準(zhǔn)同步頭用來(lái)控制發(fā)射機(jī)之間的接入準(zhǔn)同步，有三種格式：A. 接入準(zhǔn)同步頭（設(shè)為A）：當(dāng)其它發(fā)信機(jī)收到這個(gè)準(zhǔn)同步頭時(shí)，可繼續(xù)通信或接入通信；B. 拒接準(zhǔn)同步頭（設(shè)為B）：當(dāng)前發(fā)送準(zhǔn)同步頭的發(fā)信機(jī)要結(jié)束通信時(shí)所傳送的信息。為保證切換過(guò)程準(zhǔn)同步源的唯一性和可靠性，退出前準(zhǔn)同步頭要再循環(huán)發(fā)送一段時(shí)間（即結(jié)束前有一段延時(shí)），在延時(shí)階段所發(fā)送的準(zhǔn)同步頭要區(qū)別于之前的準(zhǔn)同步頭。其它發(fā)信機(jī)收到拒接同步頭B時(shí)，暫時(shí)中止傳送數(shù)據(jù)，并觸發(fā)定時(shí)器開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)作同步源；C. 切換同步頭（設(shè)為B）：在切換時(shí)競(jìng)爭(zhēng)作同步源成功，在第一個(gè)周期發(fā)送B，以后發(fā)送A

13、；當(dāng)其它發(fā)信機(jī)收到這個(gè)同步頭時(shí)，可繼續(xù)通信或接入通信。 在監(jiān)聽(tīng)過(guò)程中，采用搜索自等待式同步方法5。搜索自等待式同步方法的工作原理即接收端在同步捕獲之前保持在跳頻序列對(duì)應(yīng)的某一頻率上，等待發(fā)信機(jī)的信號(hào)，一旦檢波器得到相關(guān)輸出，則認(rèn)為是捕獲到了同步而與發(fā)信機(jī)同步進(jìn)行跳頻。搜索自等待式同步方法的流程圖如圖2所示。5. 多址接入準(zhǔn)同步方案性能分析（1）多址接入準(zhǔn)同步頭捕獲時(shí)間：在多址接入準(zhǔn)同步方案中，發(fā)信機(jī)之間先進(jìn)行的是準(zhǔn)同步頭的捕獲，然后才是收發(fā)機(jī)的收發(fā)同步過(guò)程。在對(duì)準(zhǔn)同步頭進(jìn)行捕獲時(shí)采用的是搜索自等待式同步方法，因此其性能與搜索自等待式同步方法的性能基本相同4。為了便于比較，本文分別給出匹配濾波法

14、，滑動(dòng)相關(guān)法及準(zhǔn)同步的同步捕獲時(shí)間。定義切普時(shí)間為（S），跳頻序列長(zhǎng)為，則，匹配濾波器法的捕獲時(shí)間為：滑動(dòng)相關(guān)法的捕獲時(shí)間為： 準(zhǔn)同步的捕獲時(shí)間為： （>>1）經(jīng)比較可知，匹配濾波器的捕獲時(shí)間最短，但實(shí)現(xiàn)電路很復(fù)雜；滑動(dòng)相關(guān)法的捕獲時(shí)間最長(zhǎng)。準(zhǔn)同步法捕獲時(shí)間較短，電路簡(jiǎn)單。（2）性能仿真與結(jié)果分析比較：表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)采樣速率跳頻工作帶寬信道間隔跳頻速率信道400KHz10K-50KHz250Hz480h/sAWGN基帶信號(hào)速率調(diào)制方式RS跳頻碼6NHZ跳頻碼160HzBFSK（27-1,5）（128,8,4）為比較和分析本文多址接入準(zhǔn)同步方案的性能，用MATLAB對(duì)基于上述多址

15、接入準(zhǔn)同步方案及NHZ碼的跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)在不同用戶數(shù)和不同信噪比條件下的誤碼率曲線如圖3所示，由該圖可見(jiàn)：本文提出的多址接入準(zhǔn)同步方案是可行的；當(dāng)跳頻系統(tǒng)是單用戶時(shí)，采用NHZ跳頻碼的新型多址接入準(zhǔn)同步方案的跳頻通信系統(tǒng)與采用RS碼的跳頻通信系統(tǒng)性能基本相同；當(dāng)跳頻系統(tǒng)是多用戶時(shí)，采用NHZ跳頻碼的新型多址接入準(zhǔn)同步方案的跳頻通信系統(tǒng)優(yōu)于采用RS碼的系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明NHZ跳頻碼及本文所提出的接入準(zhǔn)同步方案在單用戶跳頻通信系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)不明顯，但在多用戶跳頻通信系統(tǒng)中誤碼率性能會(huì)有明顯改善和提高。本文提出的多址接入準(zhǔn)同步組網(wǎng)方案，由于保證了通信系統(tǒng)發(fā)信機(jī)間的時(shí)延在

16、跳頻碼的無(wú)碰撞區(qū)內(nèi)，因而系統(tǒng)的多址干擾明顯下降，使系統(tǒng)的整體誤碼率性能得到改善。因此，無(wú)碰撞區(qū)跳頻碼及本文所提出的接入準(zhǔn)同步組網(wǎng)方案能有效降低系統(tǒng)的多址干擾，適合于多用戶跳頻通信系統(tǒng)。6. 結(jié)論根據(jù)無(wú)碰撞區(qū)跳頻碼的特點(diǎn)，基于ALOHA/CSMA協(xié)議思想，提出并實(shí)現(xiàn)了一種接入準(zhǔn)同步組網(wǎng)方案及其跳頻通信系統(tǒng)。該方案使得通信雙方在通信前發(fā)射端先進(jìn)行多址接入準(zhǔn)同步，保證通信系統(tǒng)工作在無(wú)碰撞區(qū)范圍內(nèi)，從而體現(xiàn)了無(wú)碰撞區(qū)跳頻碼的特點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的多址干擾，提高了系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果表明，無(wú)碰撞區(qū)跳頻碼及本文所提出的接入準(zhǔn)同步組網(wǎng)方案適合于多用戶跳頻通信系統(tǒng)，方案可行, 在多用戶環(huán)境中優(yōu)于采用RS碼的系統(tǒng)。

17、7. 參考文獻(xiàn)1 Xiaoning Wang, Pingzhi Fan, A Class of Frequency Hopping Sequences with No Hit ZoneA. Proceedings of The Fourth International Conference on Parallel and Distributed Computing, Applications and TechnologiesC. August 27-29, 2003 Chengdu, China. pp.896-898.2 W. X. Ye and P. Z. Fan, Two Classes of Frequency Hopping Sequences with No-Hit ZoneA. Proceedings of the Seventh International Symposium on Communications Theory and Applications (ISCTA